DE69918191T2

DE69918191T2 - Tintenstrahldruckkopf und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69918191T2
Application number: DE69918191T
Authority: DE
Inventors: Shuji Koike; Yoshiaki Kawasaki-shi SAKAMOTO; Tomohisa Kawasaki-shi SHINGAI; Seigen Kawasaki-shi OTANI; Toshihiko Kawasaki-shi OSADA
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2019-12-25
Also published as: WO2001047714A1; DE69918191D1; EP1258353A1; KR100567294B1; EP1258353A4; KR20020097143A; US6672713B2; JP4432100B2; EP1258353B1; US20030007036A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf, insbesondere einen Tintenstrahlkopf, der durch Anwendung einer Dünnschicht-Abscheidungstechnik, wie z. B. Ionenfräsen, kompakt geformt ist.
Bisher wurde häufig ein Drahtdruckkopf als Druckkopf verwendet. Der Drahtdruckkopf führt das Drucken aus, indem er Drähte magnetisch steuert und gegen eine Walze drückt, wobei sich zwischen den Drähten und der Walze ein Blatt Papier oder ein Farbband befindet. Der Drahtdruckkopf hat jedoch viele Nachteile, wie z. B. einen hohen Stromverbrauch, Geräuschentwicklung und niedrige Auflösung, wodurch er als Druckvorrichtung viel zu wünschen übrig lässt.
Daher wurde ein Drucker mit einem Tintenstrahldruckkopf, der mit piezoelektrischen Elementen oder durch Wärme erzeugten Luftblasen arbeitet, entwickelt. Der Tintenstrahldruckkopf, der bei geringem Stromverbrauch geräuschlos arbeitet und eine hohe Auflösung erreicht, wird heute als Druckvorrichtung bevorzugt.
Der Tintenstrahldruckkopf umfasst im Wesentlichen Düsen, Tintenkammern, ein Tintenzuführsystem, einen Tintenbehälter und ein druckerzeugendes Element. Bei einem Drucker mit Tintenstrahldruckkopf wird die im druckerzeugenden Element hervorgerufene Verdrängung zu den Tintenkammern als Druck übertragen, so dass aus den Düsen Tintenpartikel gesprüht werden und somit auf einem Aufzeichnungsmedium, wie z. B. einem Blatt Papier, Zeichen oder Bilder aufgezeichnet werden.
Gemäß dem herkömmlichen Verfahren wird als druckerzeugendes Element ein dünnes piezoelektrisches Element an einer Seite der Außenwand einer Tintenkammer angebracht. Durch Anlegen einer impulsförmigen Spannung an das piezoelektrische Element wird ein Plättchen bewegt, das sich aus dem piezoelektrischen Element und der Außenwand der Tintenkammer zusammensetzt. Die durch diese Bewegung bewirkte Verdrängung erzeugt einen Druck, der auf die Tintenkammer übertragen wird, so dass Tinte versprüht wird.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Tintenstrahldruckkopf 10 und diesen umgebende Teile eines herkömmlichen Druckers 1, und 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Tintenstrahldruckkopfs 10 in groben Umrissen.
In 1 ist der Tintenstrahldruckkopf 10 an der Unterseite eines Wagens 2 angebracht. Der Tintenstrahldruckkopf 10 ist zwischen einer Zuführwalze 3 und einer Auswerfwalze 4 so angeordnet, dass er einer Auflageplatte 5 zugewandt ist. Der Wagen 2 umfasst einen Tintenbehälter 6 und ist senkrecht zur Bildebene von 1 bewegbar. Zwischen einer Andruckwalze 8 und der Zuführwalze 3 und zwischen einer Andruckwalze 9 und der Auswerfwalze 4 ist ein Blatt Papier 7 eingeklemmt, so dass dieses in Richtung des Pfeils A transportiert werden kann. Durch Steuerung des Tintenstrahldruckkopfs 10 und Bewegen des Wagens 2 senkrecht zur Bildebene, führt der Tintenstrahldruckkopf 10 das Drucken auf dem Blatt Papier 7 aus. Das bedruckte Blatt Papier 7 gelangt in eine Ablage 20.
Wie in 2 gezeigt, umfasst der Tintenstrahldruckkopf 10 piezoelektrische Elemente 11, auf den piezoelektrischen Elementen 11 gebildete Einzelelektroden 12, eine Düsenplatte 14 mit darin gebildeten Düsen 13, Tintenkammerwände 17 aus Metall oder Kunststoff, die zusammen mit der Düsenplatte 14 Tintenkammern 15 bilden, die entsprechend den Düsen 13 angeordnet sind, sowie eine Membran 16.
Die Düsen 13 und die Membran 16 sind den Tintenkammern 15 zugewandt. Der Rand der Tintenkammern 15 und der entsprechende Rand der Membran 16 sind fest miteinander verbunden, und die piezoelektrischen Elemente 11 bewirken, dass die zugehörigen Teile der Membran 16 durchgebogen werden, wie durch die gestrichelte Linie in 2 angegeben. An die piezoelektrischen Elemente 11 werden Spannungen angelegt, indem vom Hauptkörper des Druckers über eine in der Zeichnung nicht gezeigte gedruckte Schaltung elektrische Signale zu den einzelnen piezoelektrischen Elementen 11 geleitet werden. Die piezoelektrischen Elemente 11, an die die Spannungen angelegt werden, dehnen sich aus oder ziehen sich zusammen, wodurch in den entsprechenden Tintenkammern 15 ein Druck erzeugt wird, durch den Tinte versprüht wird.
Die piezoelektrischen Elemente 11 werden auf dem oben beschrieben und in 2 gezeigten herkömmlichen Tintenstrahldruckkopf 10 gebildet, indem plattenförmige piezoelektrische Elemente an Positionen, die den Tintenkammern 15 entsprechen, angebracht werden oder indem zuerst ein piezoelektrisches Element über den Tintenkammern 15 angebracht und dann das piezoelektrische Element entsprechend den Tintenkammern 15 unterteilt wird.
Wenn ein dünnes (weniger als 50 μm) piezoelektrisches Element für den auf diese Weise hergestellten herkömmlichen Tintenstrahldruckkopf 10 verwendet wird, um diesen zu verkleinern, dann bewirkt eine ungleichmäßige Dicke des für die Befestigung verwendeten Klebstoffs Abweichungen in der Bewegung der piezoelektrischen Elemente, wodurch sich die Qualität des Tintenkopfs verschlechtert. Ein weiteres Problem dieses piezoelektrischen Elements besteht darin, dass sich in ihm bei seiner Befestigung ein Riss bildet. Herkömmliche Tintenstrahldruckköpfe sind z. B. in JP-A-10 128 973, EP-A-786 345, JP-A-0 613 357 und JP-A-5 109 668 beschrieben.
Einige Erfinder der vorliegenden Erfindung haben zusammen mit einem weiteren Erfinder ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs vorgeschlagen, bei dem eine Dünnschicht-Abscheidungstechnik angewandt wird, um den oben beschriebenen Nachteil zu beseitigen. Dieses Verfahren lässt sich jedoch noch verbessern.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen hochpräzisen, verkleinerten und unter geringen Kosten herstellbaren Tintenstrahldruckkopf zu schaffen, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem weitere Verbesserungen an einem unter Anwendung einer Dünnschicht-Abscheidungstechnik erzeugten Tintenstrahldruckkopf vorgenommen werden.
Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch einen Tintenstrahldruckkopf, bei dem unter Anwendung einer Dünnschicht-Abscheidungstechnik auf einer auf einem Substrat gebildeten Elektrodenschicht eine piezoelektrische Schicht und durch gleichzeitiges Ätzen der Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht mittels eines Ionenfräsverfahrens ein energieerzeugendes Element zur Erzeugung von Energie für den Tintenausstoß gebildet wird, wobei der Tintenstrahldruckkopf einen winzigen Staubaufnahmeabschnitt umfasst, auf dem sich gemischter feiner Staub ablagert, der mindestens denjenigen, der durch das Ionenfräsverfahren von der Elektrodenschicht und piezoelektrischen Schicht weggeätzt wird, umfasst, wobei der winzige Staubaufnahmeabschnitt in der Nähe des energieerzeugenden Elements angeordnet ist.
Bei der vorliegenden Erfindung kann ein einstückiges energieerzeugendes Element erzeugt werden, da die Elektrodenschicht und piezoelektrische Schicht gleichzeitig durch Ionenfräsen geätzt werden.
Ferner kann beim Ätzen mittels Ionenfräsen eine große Fläche bearbeitet werden, wobei die Ätzanisotropie senkrecht zur bearbeitenden Fläche hoch ist. Daher kann die Form des energieerzeugenden Elements frei gewählt werden, wobei sich an seinen geätzten Teilen keine Schrägen bilden, diese also vertikal verlaufen.
Der durch das Ionenfräsen entstehende gemischte feine Staub lagert sich auf dem Staubaufnahmeabschnitt ab. Dadurch wird verhindert, dass dieser Staub am energieerzeugenden Element haftet.
Der gemischte feine Staub, der sich auf dem winzigen Staubaufnahmeabschnitt ablagert, kann durch die physikalische Kraft einer Flüssigkeit oder eines Gases, die bzw. das unter Druck steht, einfach entfernt werden. Daher kann das Entfernen in kurzer Zeit und unter geringen Kosten ausgeführt werden. Somit kann unter geringen Kosten ein verkleinerter Tintenstrahldruckkopf, der sehr präzise und zuverlässig arbeitet, geschaffen werden.
Der winzige Staubaufnahmeabschnitt kann als inselähnliches Element gebildet werden, das in einem Abstand von 300 μm oder weniger von einem Ende des energieerzeugenden Elements angeordnet ist.
Wenn ein Raum vorhanden ist, der einen Abstand von mehr als 300 μm vom Ende des energieerzeugenden Elements umfasst, lagert sich aufgrund der Anbringung des inselähnlichen Elements in einem Abstand von 300 μm oder weniger von einem Ende des energieerzeugenden Elements der gemischte feine Staub auf dem inselähnlichen Element ab. Dadurch wird verhindert, dass dieser Staub am energieerzeugenden Element haftet.
Das inselähnliche Element kann als zusätzlicher Rahmenkörper zur Verstärkung des Tintenstrahldruckkopfs gebildet werden. Der zusätzliche Rahmenkörper dient nicht nur der Verstärkung des Tintenstrahldruckkopfs, sondern verhindert auch, dass der gemischte feine Staub am energieerzeugenden Element haftet.
Das inselähnliche Element bzw. der zusätzliche Rahmenkörper kann beim Ionenfräsen der Elektrodenschicht und piezoelektrischen Schicht gebildet werden. Dies kann einfach dadurch erfolgen, dass das Photoresistmuster, das für die Bildung des energieerzeugenden Elements verwendet wird, so geändert wird, dass das inselähnliche Element bzw. der zusätzliche Rahmenkörper erhalten bleibt.
Der winzige Staubaufnahmeabschnitt kann als ringförmige Rille gebildet werden, die um das energieerzeugende Element herum verläuft, so dass darin das energieerzeugende Element gebildet wird.
Durch das Vorhandensein der ringförmigen Rille lagert sich der gemischte feine Staub auf einer äußeren Wandfläche innerhalb der Rille ab. Die Breite der Rille beträgt vorzugsweise 300 μm oder weniger.
Die Rille kann beim Ionenfräsen der Elektrodenschicht und piezoelektrischen Schicht gebildet werden. Dies kann einfach dadurch erfolgen, dass das Photoresistmuster, das für die Bildung des energieerzeugenden Elements verwendet wird, geändert wird.
Die obige Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs, mit den Schritten

– Bildung einer piezoelektrischen Schicht auf einer auf einem Substrat gebildeten Elektrodenschicht unter Anwendung einer Dünnschichttechnik,
– Bildung eines energieerzeugenden Elements zur Erzeugung von Energie für den Tintenausstoß durch gleichzeitiges Ätzen der Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht mittels eines Ionenfräsverfahrens und Bildung eines winzigen Staubaufnahmeabschnitts, auf dem sich gemischter feiner Staub ablagert, der mindestens denjenigen, der durch das Ionenfräsverfahren von der Elektrodenschicht und piezoelektrischen Schicht weggeätzt wird, umfasst, wobei der winzige Staubaufnahmeabschnitt in der Nähe des energieerzeugenden Elements angeordnet wird, und
– Entfernen des feinen Staubs, der sich auf dem winzigen Staubaufnahmeabschnitt abgelagert hat.

Durch Ionenfräsen kann das energieerzeugende Element durch gleichzeitiges Ätzen der Elektrodenschicht und piezoelektrischen Schicht und der winzige Staubaufnahmeabschnitt gleichzeitig mit dem energieerzeugenden Element gebildet werden. Der feine Staub lagert sich auf dem winzigen Staubaufnahmeabschnitt ab. Daher kann der Tintenstrahldruckkopf hergestellt werden, ohne dass feiner Staub am energieerzeugenden Element haftet. Der gemischte feine Staub, der am Staubaufnahmeabschnitt haftet, kann in dem sich anschließenden Entfernungsschritt auf einfache Weise entfernt werden.
Der Staubaufnahmeabschnitt kann durch Änderung des Photoresistmusters gleichzeitig mit dem energieerzeugenden Element gebildet werden. Dies lässt sich einfach dadurch erreichen, dass am Photoresistmuster eine kleine Änderung vorgenommen wird.
Bei dem winzigen Staubaufnahmeabschnitt kann es sich um ein inselähnliches Element handeln, das in einem Abstand von 300 μm oder weniger von einem Ende des energieerzeugenden Elements angeordnet wird.
Bei dem winzigen Staubaufnahmeabschnitt kann es sich um eine ringförmige Rille handeln, die zur Bildung des energieerzeugenden Elements vorgesehen ist, wobei die Breite der Rille 300 μm oder weniger beträgt.
Bei dem Schritt des Entfernens des gemischten feinen Staubs kann es um das physikalische Entfernen des gemischten feinen Staubs durch Verwendung einer Flüssigkeit oder eines Gases, die bzw. das unter Druck steht, handeln. Der gemischte feine Staub kann mit einfacher Ausrüstung entfernt werden, wodurch sich die Herstellungskosten verringern lassen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Drucker zu schaffen, der mit dem oben beschriebenen Tintenstrahldruckkopf ausgestattet ist. Da dieser verkleinerte, höchst zuverlässige und unter geringen Kosten hergestellte Tintenstrahldruckkopf verwendet wird, lassen sich auch die Kosten für den Drucker senken.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Tintenstrahldruckkopf und diesen umgebende Teile eines herkömmlichen Druckers,
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Tintenstrahldruckkopfs von 1 in groben Umrissen,
3(A) bis 3(H) zeigen in schematischer Darstellung ein Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahldruckkopf, der von einigen Erfindern der vorliegenden Erfindung und einem weiteren Erfinder erfunden wurde,
4 zeigt in schematischer Darstellung einen Tintenstrahldruckkopf mit einer mit einem Verstärkungselement versehenen Membran, der zuerst von den Erfindern erfunden wurde,
5 zeigt in schematischer Darstellung die typischen "Zäune", die sich um die energieerzeugenden Elemente herum bilden,
6(A) bis 6(D) zeigen in schematischer Darstellung Anordnungen von Inselelementen in Bezug auf energieerzeugende Elemente,
7 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung,
8 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung,
9 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung,
10(A) und 10(B) zeigen in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß einer vierten Ausführung,
11(A) und 11(B) zeigen in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß einer fünften Ausführung,
12(A) und 12(B) zeigen in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß einer sechsten Ausführung,
13(A) und 13(B) zeigen in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß einer siebten Ausführung,
14 zeigt in groben Umrissen eine perspektivische Ansicht eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß einer achten Ausführung,
15(A) bis 15(K) zeigen in schematischer Darstellung ein Herstellungsverfahren für den in 14 gezeigten Tintenstrahldruckkopf und
16 zeigt in schematischer Seitenansicht einen Drucker, der den in 14 gezeigten Tintenstrahldruckkopf aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung des unter Anwendung der Dünnschicht-Abscheidungstechnik hergestellten Tintenstrahldruckkopfs, der von den Erfindern, zu denen einige Erfinder der vorliegenden Erfindung gehören, zuerst vorgeschlagen wurde. Zur Erleichterung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung werden zuerst der von den Erfindern vorgeschlagene Tintenstrahldruckkopf sowie an dieser Erfindung vorzunehmende Verbesserungen beschrieben. Die detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung erfolgt erst danach.
Im Bemühen, einen Tintenstrahldruckkopf auf völlig neuartige Weise zu verkleinern, gelangten die Erfinder nach intensiven Studien zu einem unter Anwendung einer Dünnschicht-Abscheidungstechnik hergestellten Tintenstrahldruckkopf. Für diesen Tintenstrahldruckkopf wurde ein Patent angemeldet (japanische Patentanmeldung Nr. 10-297919). Diese Erfindung wird hier kurz beschrieben. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahldruckkopf 30, der zuvor von den Erfindern erfunden wurde.
Der Tintenstrahldruckkopf 30 wird in den in 3(A) bis 3(H) gezeigten Schritten hergestellt. Durch Besputtern eines Magnesiumoxidsubstrats 40 mit einer Platinschicht wird eine Elektrodenschicht 31 gebildet. Die Elektrodenschicht 31 weist ein Muster auf und ist so unterteilt, dass eine individualisierte Elektrodenschicht (im Folgenden bezeichnet als Einzelelektroden) 38 entsteht (3(A) und 3(B)). Darauf wird durch Sputtern eine piezoelektrische Schicht 32 gebildet (3(C)). Die piezoelektrische Schicht 32 weist ein Muster auf und ist so unterteilt, dass sie den Einzelelektroden 38 entspricht. Dadurch werden energieerzeugende Elemente 37 gebildet, die sich aus Laminaten aus individualisierten piezoelektrischen Schichten (im Folgenden bezeichnet als piezoelektrische Elemente) 33 und den Einzelelektroden 38 zusammensetzen und der Erzeugung von Energie für den Tintenausstoß dienen (3(D)). Als nächstes wird auf dem Magnesiumoxidsubstrat 40 eine Polyimidschicht 41 aufgebracht, um eine ebene Fläche zu bilden (3(E)). Dann wird diese Fläche mit Chrom besputtert, wodurch eine Membran 34, bei der sich um eine Chromsputterschicht handelt, gebildet wird (3(F)). Dann wird auf der Membran 34 eine Trockenschicht 42 aufgebracht, und Belichtung und Entwicklung werden ausgeführt unter Verwendung einer Maske auf der Trockenschicht 42 an Positionen, die den energieerzeugenden Elementen 37 entsprechen, so dass Druckkammern 35 entstehen (3(G)). Schließlich wird das Magnesiumoxidsubstrat 40 durch Ätzen entfernt. Dadurch wird der obere Teil 30A des Tintenstrahldruckkopfs 30 gebildet. Mit dem oberen Teil 30A wird ein unterer Teil 30B verbunden, der die unteren hohlen Abschnitte der Druckkammern 35 sowie eine Düsenplatte 44 mit Düsen an den Stellen, wo sich die Druckkammern 35 befinden, aufweist, wodurch der Tintenstrahldruckkopf gebildet wird (3(H)).
Die Erfinder des oben beschriebenen Tintenstrahldruckkopfs 30 machten außerdem die Erfindung, die Membran 34 mit einem Verstärkungselement 39 zu versehen, wie z. B. in
4 gezeigt, um zu verhindern, dass sich in der Membran 34 Risse bilden. Hierfür wurde ebenfalls ein Patent angemeldet (japanische Patentanmeldung Nr. 10-371033).
Die Technik der Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs unter Anwendung der Dünnschicht-Abscheidungstechnik ist jedoch neu, und der oben beschriebene Tintenstrahldruckkopf 30 lässt sich immer noch verbessern.
D. h. bei dem in 3 gezeigten Herstellungsverfahren wird durch Besputtern des Substrats 40 die Platinschicht 31 gebildet, und die Einzelelektroden 38 werden durch Unterteilung der Platinschicht 31 gebildet (3(A), 3(B)). Die piezoelektrische Schicht 32 wird auf dem gesamten Laminat von 3(B) durch Sputtern aufgebracht (3(C)), und durch Nassätzen in die piezoelektrischen Elemente 33 unterteilt, wodurch die energieerzeugenden Elemente 37, bei denen es sich um Laminaten aus den Einzelelektroden 38 und den piezoelektrischen Elemente 33 handelt, gebildet werden (3(D)). Daher wird die Musterbildung zweimal ausgeführt, und zur Bildung der energieerzeugenden Elemente 37 müssen die Einzelelektroden 38 und die piezoelektrischen Elemente 33 genau übereinander positioniert werden.
Da zur Musterbildung Nassätzen angewandt wird, wird das Ätzen isotropisch ausgeführt, so dass sich um die piezoelektrischen Elemente 33 herum außerdem schräge keilförmige Teile bilden. Diese keilförmigen Teile umgeben die piezoelektrischen Elemente 33, die die Einzelelektroden 38 (oberen Elektroden) und die Membran 34 (untere Elektrode) berühren, um eine Verdrängung zu bewirken, und werden zu nicht verdrängenden Teilen, an die keine Spannung angelegt wird. Dadurch wird die Bewegung der piezoelektrischen Elemente 33 eingeschränkt.
Die Erfinder stellten fest, dass durch Musterbildung mittels Ionenfräsen an den beiden oben beschriebenen Musterbildungsvorgängen, der Positionierung der Einzelelektroden 38 und der piezoelektrischen Elemente 33 sowie den die piezoelektrischen Elemente 33 umgebenden keilförmigen Teile Verbesserungen vorgenommen werden können.
Ionenfräsen weist eine hohe Ätzanisotropie auf, so dass die Elektrodenschicht 31 und die piezoelektrische Schicht 32 gleichzeitig bearbeitet werden können. Daher werden die Elektrodenschicht 31 und die piezoelektrische Schicht 32 nacheinander auf dem Substrat 40 gebildet und danach diese überliegenden Schichten 31, 32 durch Ionenfräsen gleichzeitig geätzt. Dadurch können die energieerzeugenden Elemente 37, die sich aus den Einzelelektroden 38 und den piezoelektrischen Elementen 33 zusammensetzen, in einem einzigen Musterbildungsvorgang gebildet werden und Positionierungsfehler beseitigt werden. Somit lassen sich die energieerzeugenden Elemente 37 mit hoher Genauigkeit erzeugen.
Bei der Anwendung des Ionenfräsens lagert sich jedoch feiner Staub, der von der Elektrodenschicht 31, der piezoelektrischen Schicht 32 und dem Substrat 40, falls auch an diesem Ionenfräsen vorgenommen wird, weggeätzt wurde, ab und wird hart, so dass wandförmige Ablagerungen (im Folgenden als Zäune bezeichnet) entstehen.
5 zeigt die typischen Zäune F, die sich um die energieerzeugenden Elemente 37 herum bilden. Bei der Bearbeitung durch Ionenfräsen wird auf Schichtabschnitte, die geschützt werden sollen, ein Resist R angebracht, so dass unerwünschte Abschnitte, wenn auf diese mit hoher Geschwindigkeit ein Argongas aufprallt, entfernt werden. Die dadurch erhaltenen und unterteilten Abschnitte werden später zu einem energieerzeugenden Teil, der bewirkt, dass aus dem Tintenstrahldruckkopf Tinte herausgesprüht wird. Wie oben beschrieben, sind diese Abschnitt Laminate aus den Einzelelektroden 38 und piezoelektrischen Elementen 33, die in dieser Schrift als energieerzeugende Elemente 37 bezeichnet werden.
Wenn das Ionenfräsen ausgeführt wird, wobei auf dem auf dem Substrat 40 gebildeten Laminat aus Elektrodenschicht 31 und piezoelektrischer Schicht 32 das erforderliche Resist R angebracht ist, wird die Mischung aus feinem Staub, der von der Elektrodenschicht 31, der piezoelektrischen Schicht 32 und dem Substrat 40 weggeätzt wird, hart und bildet die Zäune F. Wie in 5 gezeigt, entstehen die Zäune hauptsächlich an den Stirnseiten, wo sie haften bleiben.
5 zeigt den Zustand der Zäune F nach dem Ionenfräsen und der Enfernung des Resist R. Das Resist R befindet sich unmittelbar nach dem Ionenfräsen auf der Oberseite der geschützten Abschnitte. Bei vorhandenem Resist R, das durch eine gestrichelte Linie wiedergegeben ist, bietet auch dieses Haftflächen für die Zäune F, so dass diese schließlich überstehen.
Beim Ionenfräsen folgen, wie in 3 beschrieben, ein Reihe weiterer Vorgänge, wie z. B. die Bildung der Polyimidschicht 41 als Isolierschicht und der Membran 34, um den Tintenstrahldruckkopf fertig zu stellen. Zur Bildung der Polyimidschicht 41 und der Membran 34 ist insbesondere Glätte erforderlich.
Daher sollten die Zäune F so weit wie möglich entfernt werden. Verfahren zur Entfernung einer Fremdsubstanz umfassen chemisch-mechanisches Polieren, Nassätzen und ein Verfahren, bei dem die Zäune F physikalisch entfernt werden, indem sie mit einem Gas oder einer Flüssigkeit besprüht werden und auf sie eine Kraft ausgeübt wird.
Von diesen entfernen das chemisch-mechanisches Polieren und das Nassätzen die Zäune F relativ sauber, erfordern aber viel Zeit, was zu höheren Herstellungskosten führt.
Das physikalische Verfahren, bei dem mit hohem Druck ein Gas oder eine Flüssigkeit auf die Zäune F gesprüht wird, so dass diese abgebrochen und weggewaschen werden, kann dagegen in kurzer Zeit mit einfacher Ausrüstung und unter geringen Kosten ausgeführt werden. Wie in 5 gezeigt, haften die Zäune F jedoch auch an den energieerzeugenden Elementen 37. Durch das Wegbrechen der Zäune F werden daher auch die energieerzeugenden Elementen 37 beschädigt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung beschrieben, bei der die oben beschriebenen Aspekte verbessert sind.
Es folgt eine Beschreibung von Ausführungen, bei denen als Staubaufnahmeabschnitte winzige inselähnliche Elemente gebildet sind, die verhindern, dass sich an den energieerzeugenden Elementen, die als obere Elektroden und Spannungskörper dienende Einzelelektroden ausgebildet sind, die Zäune F bilden.
Die inselähnlichen Elemente sind in einem Abstand von 300 μm von den Enden der energieerzeugenden Elemente angeordnet. Durch die inselähnlichen Elemente bilden sich die Zäune F nicht an den energieerzeugenden Elementen, sondern an den inselähnlichen Elementen. Falls als Ergebnis des Ionenfräsens, bei dem die energieerzeugenden Elemente gebildet werden, ein Raum, der einen Abstand von mehr als 300 μm von den Enden umfasst, um diese herum gebildet wird, werden die inselähnlichen Elemente gebildet. Die inselähnlichen Elemente können dadurch gebildet werden, dass die Form des Resistmusters während der Bildung der energieerzeugenden Elemente geringfügig verändert wird. Die auf diese Weise gebildeten inselähnlichen Elemente (im Folgenden einfach als Inselelemente bezeichnet) gehören zum gleichen Laminat wie die energieerzeugenden Elemente.
Im Folgenden wird auf Grundlage von 6 eine Anordnung von Inselelementen beschrieben, die verhindert, dass sich an den energieerzeugenden Elementen die Zäune F bilden.
6 zeigt in schematischer Darstellung Anordnungen von Inselelementen 70 in Bezug auf energieerzeugende Elemente 67 eines Tintenstrahldruckkopfs. 6(A) zeigt den Fall, in dem für ein rechteckiges energieerzeugendes Element 67A ein rechteckiges Inselelement 70A vorgesehen ist. Hier ist der Abstand L1 zwischen dem Ende des energieerzeugenden Elements 67A und dem Inselelement 70A mit 300 μm oder weniger vorgegeben. Die Breite B des Inselelements 70A beträgt vorzugsweise mindestens so viel wie die Breite b des energieerzeugenden Elements 67A. Dies hat als Grund, dass sich am Ende des energieerzeugenden Elements 67A ein Zaun bilden kann, wenn die Breite B des Inselelements 70A weniger beträgt als die Breite b des energieerzeugenden Elements 67A.
Als Ergebnis intensiver Studien der Erfinder der vorliegenden Erfindung zeigte sich, dass beim Ätzen des Laminats aus einer Elektrodenschicht und einer piezoelektrischen Schicht mittels Ionenfräsen am unterteilten und geformten energieerzeugenden Element ein Zaun entsteht, wenn ein Raum, der einen Abstand von mehr als 300 μm vom Ende X des energieerzeugenden Elements 67A umfasst, gebildet wird. Ferner hat sich eine bestimmte Gesetzmäßigkeit herausgestellt, und zwar, dass, wenn am Rand des energieerzeugenden Elements ein Raum vorhanden ist, der einen Abstand von mehr als 300 μm umfasst, der Zaun F sich nicht am Ende X1 des energieerzeugenden Elements 67A sondern am Ende Y1 des Inselelements 70A bildet, wenn das Inselelement 70A vorhanden ist und somit die Bedingungen zur Erzeugung eines Zauns nicht erfüllt sind, d. h. wenn das Inselelement 70A an einer Position innerhalb von 300 μm vom Ende X des energieerzeugenden Elements 67A entfernt angeordnet ist.
6(B) zeigt den Fall, in dem für ein rechteckiges energieerzeugendes Element 67B, dessen Ecken abgerundet sind, ein rechteckiges Inselelement 70B vorgesehen ist. Hier ist der Abstand L2 zwischen den Seiten des Endes X2 des energieerzeugenden Elements 67B und dem Inselelement 70B um den Betrag größer, um den die Ecken des energieerzeugenden Elements 67B abgerundet sind. Wenn in diesem Fall das Inselelement 70B so angeordnet wird, dass L2 300 μm nicht überschreitet, bildet sich der Zaun F, wie im Fall von 6(A), am Ende Y2.
6(C) zeigt den Fall, in dem für ein rechteckiges energieerzeugendes Element 67C, dessen Ecken abgerundet sind, ein Inselelement 70C vorgesehen ist, in dem entsprechend der Abrundung ein Bogen gebildet ist. Hier ist die dem energieerzeugenden Element 67C zugewandte Seite des Inselelements 70C wie ein Bogen geformt, so dass der Abstand L3 zwischen dem Ende X3 des energieerzeugenden Elements 67C und dem Inselelement 70C im Wesentlichen überall gleich groß ist. Auch in diesem Fall bildet sich der Zaun F, wie im Fall von 6(A), am Ende Y3, wenn das Inselelement 70C so angeordnet wird, dass L3 300 μm nicht überschreitet.
Zur Verhinderung einer Rissbildung in einer weiter unten beschriebenen und auf dem energieerzeugenden Element 67 gebildeten Membran ist es zweckmäßig die Ecken des energieerzeugenden Elements 67 abzurunden.
6(D) zeigt den Fall, in dem für ein im Wesentlichen rechteckiges energieerzeugendes Element 67D, dessen Ecken leicht abgerundet sind, ein rechteckiges Inselelement 70D vorgesehen ist. Wenn die Abrundung auf diese Weise erfolgt, muss die Vergrößerung des Abstands an den Seiten nicht berücksichtigt werden.
Im Folgenden werden etwas speziellere Anordnungen von energieerzeugenden Elementen und Inselelementen in einem Tintenstrahldruckkopf beschrieben.
7 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung der energieerzeugenden Elemente 67 eines Tintenstrahldruckkopfs 60 gemäß einer ersten Ausführung. Bei der ersten Ausführung sind, wie im Zusammenhang mit 6 beschrieben, Inselelemente 71 und 72 vorgesehen, um am Rand der energieerzeugenden Elemente 67, wo sich Zäune F bilden können, die Bildung der Zäune F zu verhindern.
In 7 sind die energieerzeugenden Elemente 67 (vier davon sind gezeigt) zickzackförmig angeordnet, so dass mehrere Tintenstrahldruckköpfe angeordnet sind. Jedes der energieerzeugenden Elemente 67 ist in einem Stück mit einem kurzem Verbindungsabschnitt 45A oder einem langen Verbindungsabschnitt 45B gebildet. Am linken Ende jedes Verbindungsabschnitts ist an gleicher Position ein Stromanchluss 47 gebildet, wodurch der Anschluss an in der Zeichnung nicht gezeigte Anschlussleitungen erleichtert wird.
In 7 weist jedes energieerzeugende Element 67 eine Länge LA von etwa 700 μm, jeder kurze Verbindungsabschnitt 45A eine Länge von etwa 300 μm und jeder lange Verbindungsabschnitt 45B eine Länge von etwa 1000 μm auf. Wenn das in 7 gezeigte Resistmuster gebildet und durch Ionenfräsen geätzt wird, entstehen die Zäune F an den mit Pfeilen angegebenen Stellen der energieerzeugenden Elemente 67.
Bei der ersten Ausführung bilden sich jedoch die Zäune F an den Inselelementen 71 und 72 an Positionen, die durch die Buchstaben F bezeichnet sind, da in der Mitte die Inselelemente 71 und am Ende die Inselelemente 72 angeordnet sind. D. h. die Bildung von an den energieerzeugenden Elementen 67 haftenden Zäunen F wird dadurch verhindert, dass am Rand der energieerzeugenden Elemente 67, wo sich Zäune F bilden können, die Inselelemente vorgesehen sind. Die Grundlage, auf der die Inselelemente angeordnet werden, ist im Zusammenhang mit 6 beschrieben.
In 7 bilden sich die Zäune F an jeder Stelle, an der ein durch Ionenfräsen geätzter und eine Länge von 300 μm überschreitender vorhandener Raum vorhanden ist. Hier sind jedoch die Positionen, an denen sich an den energieerzeugenden Elementen 67 die Zäune F bilden, und die Positionen, an denen sich stattdessen an den Inselelementen die Zäune F bilden, gezeigt.
Jeder kurze Verbindungsabschnitt 45A ist etwa 300 μm lang, und wenn er größer als 300 μm ist, bilden sich die Zäune F an den mit den Pfeilen A bezeichneten Stellen. Wenn dagegen die Länge des kurzen Verbindungsabschnitts 45A 300 μm oder weniger beträgt, wird die Bildung von Zäunen F auch ohne Inselelemente verhindert. Falls konstruktive Vorgaben für einen Tintenstrahldruckkopf kurze Verbindungsabschnitte 45A erfordern, die länger als 300 μm sind, dann sollten an deren Rand weitere Inselelemente angeordnet werden.
Jeder lange Verbindungsabschnitt 45B weist Einbuchtungen 45Ba auf, die dessen Breite verringern und die Inselelemente 71 aufnehmen. Dies dient dazu zu verhindern, dass die Zäune F an den energieerzeugenden Elementen 67 haften, da die Zäune F an den energieerzeugenden Elementen 67 haften, wenn zwischen den langen Verbindungsabschnitten 45B und den Inselelementen 71 ein Spalt vorhanden ist.
8 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente 87 eines Tintenstrahldruckkopfs 80 gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Bei der zweiten Ausführung ist in Anbetracht der Tatsache, dass ein Abstand von mehr als 300 μm Voraussetzung für die Entstehung von Zäunen F ist, der durch Ionenfräsen geätzte Bereich auf das Minimum eingeschränkt, das zur separaten Bildung der energieerzeugenden Elemente 87 erforderlich ist.
In 8 sind Rillen 81 von etwa 10 μm Breite durch Ionenfräsen auf dem Laminat aus Elektrodenschicht und piezoelektrischer Schicht ringförmig gebildet, und die energieerzeugenden Elemente 87 befinden sich innerhalb der Rillen 81. Wenn im Fall von 8 jedes der energieerzeugenden Elemente 87 etwa 700 μm lang ist, bilden sich die Zäune F nur in geringem Maß an den mit den Pfeilen F angegebenen Stellen der Ränder. An den energieerzeugenden Elementen 87 selbst haften keine Zäune F. In den energieerzeugenden Elementen 87 sind Stromanschlüsse 83 vorgesehen, die mit in der Zeichnung nicht gezeigten Elektroden verbunden sind.
9 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente 97 eines Tintenstrahldruckkopfs 90 gemäß einer dritten Ausführung. Bei der dritten Ausführung wurde die Zickzackanordnung der energieerzeugenden Elemente 67 der ersten Ausführung übernommen, wobei durch Ionenfräsen Rillen 91 gebildet wurden.
Jedes der energieerzeugenden Elemente 97 ist in einem Stück mit einem kurzem Verbindungsabschnitt 55A oder einem langen Verbindungsabschnitt 55B gebildet. Am linken Ende jedes Verbindungsabschnitts ist an gleicher Position ein Stromanschluss 57 gebildet, wodurch der Anschluss an in der Zeichnung nicht gezeigte Anschlussleitungen erleichtert wird. Die energieerzeugenden Elemente 97, die kurzen Verbindungsabschnitte 55A und die langen Verbindungsabschnitte 55B sind aufgrund der durch Ionenfräsen geätzten Rillen 91 wie Inseln geformt.
In 9 weist jedes energieerzeugende Element 97 eine Länge LA von etwa 700 μm, jeder kurze Verbindungsabschnitt 55A eine Länge von etwa 300 μm und jeder lange Verbindungsabschnitt 55B eine Länge von etwa 1000 μm auf. Wenn das in 9 gezeigte Muster durch Ionenfräsen gebildet wird, entstehen die Zäune F nur in geringem Maß an den mit den Pfeilen F angegebenen Stellen. An den energieerzeugenden Elementen 97 selbst haften keine Zäune F.
Die Zäune F könnten sich an den durch Pfeile angegebenen Stellen bilden, an denen die energieerzeugenden Elemente 97 mit den langen Verbindungsabschnitten 55B verbunden sind. Bei der dritten Ausführung wird jedoch durch Einbuchtungen 95, die durch Krümmen von Abschnitten der ringförmigen Rillen 91 gebildet sind und die gleiche Funktion wie die oben beschriebenen Inselelemente haben, verhindert, dass an den energieerzeugenden Elementen 97 Zäune F haften.
Im Folgenden wird auf Grundlage von 10 bis 13 eine vierte, fünfte, sechste und siebte Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die in diesen Ausführungen gezeigten Tintenstrahldruckköpfe umfassen einen zusätzlichen Rahmenkörper zur Verstärkung einer Membran und sind so konstruiert, dass sich die Zäune F am zusätzlichen Rahmenkörper bilden. D. h. der zusätzliche Rahmenkörper dient nicht nur der Unterstützung der Membran des Tintenstrahldruckkopfs, sondern fungiert auch als Inselelement, an dem sich die oben beschriebenen Zäune F bilden.
Die oben beschriebene erste, zweite und dritte Ausführung zeigen eine Anordnung von energieerzeugenden Elementen in einem einzigen Tintenstrahldruckkopf, während die folgenden Ausführungen den Fall zeigen, in dem mehrere Köpfe gleichzeitig hergestellt werden. Wenn zur Bildung von energieerzeugenden Elementen Ionenfräsen angewandt wird, kann ein großer Bereich bearbeitet werden.
10 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente 107 eines Tintenstrahldruckkopfs 100 gemäß einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung. 10(A) zeigt eine Draufsicht und 10(B) eine Schnittansicht des Tintenstrahldruckkopfs 100. Die strichpunktierten Linien geben die Positionen an, an denen nach Beendigung der Herstellung die einzelnen Köpfe abgeschnitten werden.
Bei dieser Ausführung werden 300 μm überschreitende Abstände, die die Bedingung für die Bildung von Zäunen F am Rand der energieerzeugenden Elemente 107 sind, so weit wie möglich verringert. Wo die Bildung von Zäunen F aus Konstruktionsgründen unvermeidbar ist, wird bewirkt, dass sich die Zäune F am zusätzlichen Rahmenkörper 103 bilden.
10 zeigt zwei der Tintenstrahldruckköpfe 100. Jeder der Tintenstrahldruckköpfe 100 umfasst die parallel angeordneten energieerzeugenden Elemente 107 und den C-förmigen zusätzlichen Rahmenkörper 103, der die energieerzeugenden Elemente 107 umgibt.
In 10 beträgt der Abstand zwischen benachbarten energieerzeugenden Elementen 107 sowie der Abstand zwischen den energieerzeugenden Elementen 107 und dem sie umgebenden zusätzlichen Rahmenkörper 103 300 μm oder weniger.
Der zusätzliche Rahmenkörper 103 ist so angeordnet, dass sich seine Rückseite in einem Abstand von weniger als 300 μm vom vorderen Ende des benachbarten Tintenstrahldruckkopfs 100 befindet, wodurch die Bildung der Zäune F so weit wie möglich eingeschränkt wird.
Wenn jedoch die Konstruktion erfordert, dass die Länge LA der energieerzeugenden Elemente 107 etwa 700 μm beträgt, dann befindet sich zwischen den energieerzeugenden Elementen 107 ein Raum, der 300 μm überschreitet. Daher besteht die Möglichkeit, dass die Zäune F entstehen.
Somit werden bei der vierten Ausführung die Zäune F am zusätzlichen Rahmenkörper 103 gebildet, wie durch die Pfeile F angegeben. Dadurch wird an den energieerzeugenden Elementen 107 die Bildung von Zäunen F verhindert.
11 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente 117 eines Tintenstrahldruckkopfs 110 gemäß einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung. 11(A) zeigt eine Draufsicht und 11(B) eine Schnittansicht des Tintenstrahldruckkopfs 110. Die strichpunktierten Linien geben die Positionen an, an denen nach Beendigung der Herstellung die einzelnen Köpfe abgeschnitten werden.
Die fünfte Ausführung unterscheidet sich insofern von der vierten Ausführung, als ein I-förmiger zusätzlicher Rahmenkörper 113 vorgesehen ist, in dem eine höhere Anzahl energieerzeugender Elemente 117 untergebracht werden kann. Bei dieser Ausführung sind die energieerzeugenden Elemente 117 eines Tintenstrahldruckkopfs 110 so angeordnet, dass sie denjenigen eines benachbarten Tintenstrahldruckkopfs 110 gegenüberliegen. Der Abstand zwischen den Gruppen gegenüberliegender energieerzeugender Elemente 117 beträgt 300 μm oder weniger. Bei jedem der Tintenstrahldruckköpfe 110 ist die linke Reihe energieerzeugender Elemente 117 gegen die rechte Reihe energieerzeugender Elemente 117 um die Breite eines energieerzeugenden Elements 117 versetzt, um die Positionen der Tintendüsen gegeneinander zu versetzen. Daher werden die benachbarten Tintenstrahldruckköpfe 110 nacheinander in Querrichtung gebildet, wobei sie vertikal geringfügig gegeneinander versetzt sind.
Wie bei der vierten Ausführung bilden sich bei der fünften Ausführung die Zäune am zusätzlichen Rahmenkörper 113. Dadurch wird an den energieerzeugenden Elementen 117 die Bildung von Zäunen F verhindert.
12 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente 127 eines Tintenstrahldruckkopfs 120 gemäß einer sechsten Ausführung der vorliegenden Erfindung. 12(A) zeigt eine Draufsicht und 12(B) eine Schnittansicht des Tintenstrahldruckkopfs 120. Die strichpunktierten Linien geben die Positionen an, an denen nach Beendigung der Herstellung die einzelnen Köpfe abgeschnitten werden.
Die sechste Ausführung unterscheidet sich insofern von der fünften Ausführung, als die benachbarten Tintenstrahldruckköpfe 120 gegeneinander um 180° gedreht sind. Durch diese Anordnung können die benachbarten Tintenstrahldruckköpfe 120 nacheinander gebildet werden, ohne vertikal gegeneinander versetzt zu sein.
Bei dieser Ausführung sind die benachbarten Tintenstrahldruckköpfe 120 ebenfalls so angeordnet, dass ihre energieerzeugenden Elemente 127 einander gegenüberliegen. Der Abstand zwischen jeder Gruppe gegenüberliegender Elemente beträgt 300 μm oder weniger.
Bei der sechsten Ausführung bilden sich die Zäune ebenfalls am zusätzlichen Rahmenkörper 123. Dadurch wird verhindert, dass sich an den energieerzeugenden Elementen 127 Zäune F bilden.
13 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung energieerzeugender Elemente 137 eines Tintenstrahldruckkopfs 130 gemäß einer siebten Ausführung. 13(A) zeigt eine Draufsicht und 13(B) eine Schnittansicht des Tintenstrahldruckkopfs 130. Die strichpunktierten Linien geben die Positionen an, an denen nach Beendigung der Herstellung die einzelnen Köpfe abgeschnitten werden.
Die siebte Ausführung unterscheidet sich von der sechsten Ausführung dadurch, dass die benachbarten Tintenstrahldruckköpfe 130 beiderseits einer Schnittlinie 131 symmetrisch angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht ebenfalls, dass wie bei der sechsten Ausführung die benachbarten Tintenstrahldruckköpfe 130 nacheinander gebildet werden.
Bei dieser Ausführung sind die benachbarten Tintenstrahldruckköpfe 130 ebenfalls so angeordnet, dass ihre energieerzeugenden Elemente 137 einander gegenüberliegen. Der Abstand zwischen jeder Gruppe gegenüberliegender Elemente beträgt 300 μm oder weniger.
Bei der siebten Ausführung bilden sich die Zäune ebenfalls am zusätzlichen Rahmenkörper 133. Dadurch wird an den energieerzeugenden Elementen 137 die Bildung von Zäunen F verhindert.
Die Beschreibung der Tintenstrahldruckköpfe der obigen Ausführungen erfolgte speziell in Bezug auf ihre Anordnungen (Muster) zur Verhinderung der Bildung von Zäunen F an den energieerzeugenden Elementen. Bei den Tintenstrahldruckköpfen der obigen Ausführungen wird bewirkt, dass sich die Zäune F an den Inselelementen, den Rillen oder zusätzlichen Rahmenkörpern bilden, so dass die Zäune F durch Besprühen mit einem unter hohem Druck stehenden Gas oder einer solchen Flüssigkeit abgebrochen und weggewaschen werden können, was daher in kurzer Zeit mit einfacher Ausrüstung und unter geringen Kosten ausgeführt werden kann.
Im Folgenden wird als achte Ausführung der Aufbau eines Tintenstrahldruckkopfs 200 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben.
14 zeigt in groben Umrissen eine perspektivische Ansicht des Tintenstrahldruckkopfs 200 der achten Ausführung. Bei jedem der darin gebildeten energieerzeugenden Elemente 232 handelt es sich um das in 6(A) gezeigte Rechteck.
Der Tintenstrahldruckkopf 200 setzt sich hauptsächlich aus einem Substrat 220, einer Membran 223, einem Hauptkörper 242, einer Düsenplatte 230 und den energieerzeugenden Elementen 232 zusammen.
Wie weiter unten beschrieben, ist der Hauptkörper 242 aus Trockenschichten aufgebaut und umfasst mehrere Druckkammern 229 (Tintenkammern) und einen als Tintenzuführkanal dienenden Tintenkanal 233. In der Zeichnung ist über den Druckkammern 229 ein offener Abschnitt gebildet, und auf den Unterseiten der Druckkammern 229 sind Tintenführungskanäle 241 gebildet.
Die Düsenplatte 230 befindet sich auf der Unterseite des Hauptkörpers 242 und die Membran 223 auf der Oberseite des Hauptkörpers 242. Die Düsenplatte 230 ist beispielsweise aus rostfreiem Stahl gebildet und weist Düsen 231 auf, die den Tintenführungskanälen 241 gegenüberliegen.
Die Membran 223 ist aus einem biegsamen dünnen Material, z. B. Chrom (Cr), und das Substrat 220 und die energieerzeugenden Elemente 232 sind auf diesem angebracht. Das Substrat 220 ist z. B. aus Magnesiumoxid (MgO), und im mittleren Bereich des Substrats 220 ist eine Öffnung 224 gebildet. Die energieerzeugenden Elemente 232 sind auf der Membran 223 gebildet und liegen an der Öffnung 224 frei.
Bei den energieerzeugenden Elemente 232 handelt es sich um Laminate aus Einzelelektroden 226 und piezoelektrischen Elementen 227, die auf der Membran 223 (die außerdem als untere gemeinsame Elektrode fungiert) gebildet sind. Die energieerzeugenden Elemente 232 befinden sich an Positionen, die den Positionen, an denen im Hauptkörper 242 die Druckkammern 229 gebildet sind, entsprechen.
Die Einzelelektroden 226 sind z. B. aus Platin (Pt) und sind auf den Oberseiten der piezoelektrischen Elemente 227 gebildet. Bei den piezoelektrischen Elementen 227 handelt es sich um Kristalle, die bei Anlegen von Spannungen einen Spannungseffekt erzeugen, wobei hierfür z. B. PZT (Bleizirkonattitanat) verwendet werden kann. Bei dieser Ausführung befinden sich die piezoelektrischen Elemente 227 an den Positionen, an denen die Druckkammern 229 gebildet sind.
Wenn bei dem Tintenstrahldruckkopf 200 mit dem oben beschriebenen Aufbau zwischen der Membran 223, die auch als gemeinsame Elektrode fungiert, und den Einzelelektroden 226 Spannungen angelegt werden, erzeugen die piezoelektrischen Elemente 227 aufgrund des piezoelektrischen Effekts Verformungen. Bei der Erzeugung von Verformungen in den piezoelektrischen Elementen 227 wird auch die Membran 223 entsprechend verformt.
Die in den piezoelektrischen Elementen 227 erzeugten Verformungen bewirken, dass sich die Membran 223 so wie in der Zeichnung mit gestrichelten Linien angegeben durchbiegt. D. h. die Membran 223 ist so aufgebaut, dass sie beim Durchbiegen in die Druckkammern 229 eindringt. Die sich in den Druckkammern 229 befindende Tinte wird somit durch das von den Verformungen der piezoelektrischen Elemente 227 bewirkte Durchbiegen der Membran 223 unter Druck gesetzt, so dass sie über die Tintenführungskanäle 241 und die Düsen 231 ausgestoßen wird. Dadurch erfolgt das Drucken auf einem Aufzeichnungsmedium, wie z. B. einem Blatt Papier.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau werden die Membran 223 und die energieerzeugenden Elemente 232 (die Einzelelektroden 226 und piezoelektrischen Elemente 227) des Tintenstrahldruckkopfs 200 dieser Ausführung unter Anwendung einer Dünnschicht-Abscheidungstechnik gebildet. Insbesondere werden die energieerzeugenden Elemente dadurch gebildet, dass die Elektrodenschicht und piezoelektrische Schicht gleichzeitig durch Ionenfräsen geätzt werden.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 15 ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Tintenstrahldruckkopfs 200 beschrieben.
Zur Herstellung des Tintenstrahldruckkopfs 200 wird zuerst das Substrat 220 vorbereitet, wie in 15(A) gezeigt. Bei dieser Ausführung wird als Substrat 220 ein etwa 0,3 mm dicker Einkristall aus Magnesiumoxid (MgO) verwendet.
Auf dem Substrat 220 werden unter Anwendung der Dünnschicht-Abscheidungstechnik des Besputterns nacheinander eine etwa 0,1 μm dicke Elektrodenschicht 221 und eine etwa 2 bis 3 μm dicke piezoelektrische Schicht 222 gebildet. Insbesondere wird zuerst auf dem Substrat 220 die Elektrodenschicht 221 gebildet, wie in 15(B) gezeigt, und dann auf der Elektrodenschicht 221 die piezoelektrische Schicht 222 gebildet, wie in 15(C) gezeigt. Bei dieser Ausführung wird für die Elektrodenschicht Platin (Pt) und für die piezoelektrische Schicht PZT (Bleizirkonattitanat) verwendet.
Als nächstes wird durch Ionenfräsen das Ätzen ausgeführt, so dass an den Positionen, die sich mit den Druckkammern decken, Laminate aus Elektrodenschicht 221 und piezoelektrischer Schicht 222 entstehen. Ein hierfür verwendetes Fräsmuster wird durch ein Trockenschichtresist gebildet. In Anbetracht der Tatsache, dass die Zäune F durch Ionenfräsen entstehen, handelt es sich bei dem Fräsmuster um ein Trockenschichtresistmuster mit Inselelementen, an denen sich die Zäune F bilden sollen.
15(D) zeigt, wie das Trockenschichtresistmuster gebildet wird. Bei dieser Ausführung werden Stellen 257, an denen die energieerzeugenden Elementen 232 gebildet werden, Stellen 258, an denen Inselelemente 238 gebildet werden und eine Stelle 259, an der ein zusätzlicher Rahmenkörper 239 gebildet wird, als zu erhaltende Teile durch ein Trockenschichtresist 250 geschützt. Als Trockenschichtresist 250 wurde zur Bildung des Musters bei dieser Ausführung FI215 (ein 15 μm dickes Alkali-Resist, ein Produkt der TOKYO OHKA KOGYO CO., LTD.) verwendet, das bei 2,5 Kgf/cm mit 1 m/s bei 115°C laminiert, mit einer Glasmaske mit 120 mJ belichtet, zehn Minuten lang bei 60 °C vorgewärmt, auf Raumtemperatur abgekühlt und mit einer Na₂CO₃-Lösung (1 Gew.%) entwickelt wurde.
Dann wurde das Substrat 220 unter Verwendung eines Schmierfetts mit guter Wärmeleitfähigkeit an einer Halterung aus Kupfer befestigt, und es wurde ausschließlich mit Argongas (Ar) bei etwa 700 V und einem Emissionswinkel von etwa 15° das Ionenfräsen durchgeführt.
Dies ergab den in 15(E) gezeigten Zustand. Der Winkel der gefrästen Teile zur Laminationsfläche betrugt in Tiefenrichtung mehr als 85°. Wie in 15(E) gezeigt, bildeten sich die Zäune F unter den Stellen 258 an den Vorderseiten der Inselelemente 238 (diese Seiten sind von den energieerzeugenden Elementen abgewandt) sowie in den Bereichen der Innenwand des zusätzlichen Rahmenkörpers 239, in denen sich keine energieerzeugenden Elemente 232 befanden.
Wenn das Trockenschichtresist beim Zustand von 15(E) entfernt wird, ragen Zäune F über die Inselelemente 238 und den zusätzlichen Rahmenkörper 239 hinaus (siehe 5). Diese Zäune F wurden abgebrochen und weggewaschen, indem sie mit unter hohem Druck stehendem Wasser besprüht wurden. 15(F) zeigt den Zustand nach Entfernung der Zäune F.
Durch das Abbrechen und Wegwaschen der Zäune F können die Inselelemente 238 und der zusätzliche Rahmenkörper 239 beschädigt werden. Die Inselelemente 238 sind jedoch für den Tintenstrahldruckkopf nicht erforderlich. Daher stellt dies kein Problem dar. Wenn der zusätzliche Rahmenkörper 239 Risse bekommt oder anderweitig beschädigt wird, so stellt dies ebenfalls kein Problem dar, da der zusätzliche Rahmenkörper ein Verstärkungselement für die Membran 223 ist.
Danach wird, wie in 15(G) gezeigt, eine nivellierte Isolierschicht 252 gebildet, so dass die Membran 223 plan wird und die ionengefrästen Teile isoliert sind.
Dann wird, wie in 15(H) gezeigt, durch Besputtern die Membran 223 gebildet, wodurch das Laminat aus Membran 223 und energieerzeugenden Elementen 232, das dem Tintenausstoß dient, gebildet wird. Für die Membran 223 kann als Material Ni-Cr oder Cr verwendet werden.
Wenn die Bildung der Schichten 221 bis 223 unter Anwendung der Dünnschicht-Abscheidungstechnik einschließlich des Ionenfräsens beendet ist, werden an Positionen, die sich mit den energieerzeugenden Elementen 232 decken, Druckkammeröffnungen gebildet, wie in 15(I) gezeigt. Bei dieser Ausführung wurden die Druckkammeröffnungen unter Verwendung eines Trockenschichtresist vom Lösungsmitteltyp gebildet. Das verwendete Trockenschichtresist ist ein Produkt der Serie PR-100 (von TOKYO OHKA KOGYO CO., LTD.) und wurde bei 2,5 Kgf/cm mit 1 m/s bei 35°C laminiert, unter Verwendung einer Glasmaske und Ausrichtungsmarkierungen im Muster der piezoelektrischen Schicht 222 (und der Elektrodenschicht 221) während des Ionenfräsens ausgerichtet und mit 120 mJ belichtet, zehn Minuten lang bei 60 °C vorgewärmt, auf Raumtemperatur abgekühlt und mit C-3- und F-5-Lösungen (von TOKYO OHKA KOGYO CO., LTD.) entwickelt, wodurch das Muster entstand.
Ein Hauptkörperteil 242b mit den Druckkammern 229 und der Düsenplatte 230 wird dagegen mit einem anderen Verfahren gebildet. Das die Druckkammern 229 aufweisende Hauptkörperteil 242b wird dadurch gebildet, dass mehrmals nacheinander, so oft wie erforderlich, die Laminierung, Belichtung und Entwicklung einer Trockenschicht (eines Trockenschichtresist vom Lösungsmitteltyp, ein Produkt der PR-Serie von TOKYO OHKA KOGYO CO., LTD.) auf der Düsenplatte 230 (die in der Zeichnung nicht gezeigte Ausrichtungsmarkierungen aufweist) vorgenommen wird.
Zur Bildung des Hauptkörperteils 242b wird folgendes Verfahren angewandt. Das Muster der Führungskanäle 41 (60 μm im Durchmesser und 60 μm in der Tiefe), die Tinte von der Druckkammer 229 zu den Düsen 231 (gerade Löcher, 20 μm im Durchmesser) in einer Richtung leiten sollen, wird unter Verwendung der Ausrichtungsmarkierungen der Düsenplatte 230 auf der Düsenplatte 230 (etwa 20 μm dick) belichtet, und dann werden, wie im Fall des Tintenkanals 233, die Druckkammern 229 (etwa 100 μm breit und etwa 1700 μm lang) unter Verwendung der Ausrichtungsmarkierungen der Düsenplatte 230 belichtet. Nachdem die Trockenschicht zehn Minuten lang (bei Raumtemperatur) ruhte, wurde sie wärmegehärtet (60°C, zehn Minuten), und anschließend wurden ihre nicht benötigten Teile durch Entwicklung mit einem Lösungsmittel entfernt.
Wie in 15(J) gezeigt, wird das auf diese Weise gebildete und mit der Düsenplatte 230 versehene Hauptkörperteil 242b mit dem anderen Hauptkörperteil 242a, das die energieerzeugenden Elemente 232 (15(I)) aufweist, verbunden. Dabei werden die Hauptkörperteile 242a und 242b so verbunden, dass sie einander zugewandt und die Druckkammern 229 genau positioniert sind. Das Verbinden wurde erreicht unter Verwendung der Ausrichtungsmarkierungen der energieerzeugenden Elemente 232 und der auf der Düsenplatte 230 gebildeten Ausrichtungsmarkierungen. Danach wurde bei 80°C mit einer Last von 15 Kgf/cm² eine Stunde lang vorgewärmt, bei 150°C 14 Stunden lang das permanente Verbinden vorgenommen und dann bei Raumtemperatur gekühlt.
Als nächstes wird ein Bereich, der einem Betätigungselement entspricht, vom Substrat 220 entfernt, so dass die energieerzeugenden Elemente 232 schwingen können. Das Substrat 220 wird umgedreht, so dass sich die Düsenplatte 230 auf der Unterseite befindet, und der im Wesentlichen zentrale Teil des Substrats 220 wird durch Nassätzen entfernt, wodurch die Öffnung 224 entsteht.
Die Position, an der die Öffnung 224 gebildet wird, ist so gewählt, dass sie sich mindestens mit den Bereichen der Membran 223 deckt, die von den energieerzeugenden Elementen 232 bewegt werden. Dadurch dass die Öffnung 224 durch Entfernen des Substrats 220 gebildet wird, liegen die Einzelelektroden 226 (die energieerzeugenden Elemente 232) an der Öffnung 224 des Substrats 220 frei, wie in 15(K) gezeigt.
Wie oben beschrieben, werden bei dieser Ausführung die Elektrodenschicht 221 und die piezoelektrische Schicht 222 gleichzeitig auf dem Substrat 220 durch Ionenfräsen geätzt. Daher können auf dem Substrat 220 energieerzeugende Elemente 232 gebildet werden, die gute Kristalleigenschaften haben und frei von Positionierungsfehlern sind. Außerdem können mit hoher Präzision und Zuverlässigkeit energieerzeugende Elemente gebildet werden, die dünner sind als die herkömmlichen.
Die Zäune F, die bei der Anwendung des Ionenfräsens entstehen, haften an den Inselelementen 238 und am zusätzlichen Rahmenkörper 239. Dadurch wird verhindert, dass sich die Zäune F an den energieerzeugenden Elementen 232 bilden. Die an den Inselelementen 238 und am zusätzlichen Rahmenkörper 239 haftenden Zäune F können durch die physikalische Kraft einer Flüssigkeit oder eines Gases, die bzw. das unter Druck steht, entfernt werden. Daher kann das Entfernen in kurzer Zeit ausgeführt werden, wodurch die Kosten für die dafür erforderlichen Einrichtungen im Rahmen gehalten werden.
Die Inselelemente 238 und der zusätzliche Rahmenkörper 239, an denen die Zäune F haften, können durch Änderung des Musters eines Photoresist auf einfache Weise gebildet werden. Daher kann dies einfach durch Verwendung herkömmlicher Einrichtungen erreicht werden.
In der obigen achten Ausführung ist der Tintenstrahldruckkopf 200 beschrieben, bei dem die Inselelemente 238 und der zusätzliche Rahmenkörper 239 als winzige Staubaufnahmeabschnitte gebildet sind. Wenn das Resistmuster so geändert wird, dass am Rand der energieerzeugenden Elemente ringförmige Rillen gebildet werden, dann dienen bei dem Tintenstrahldruckkopf diese Rillen als Staubaufnahmeabschnitte.
16 zeigt in schematischer Seitenansicht einen Drucker 300, der den oben beschriebenen Tintenstrahldruckkopf 200 aufweist. Der Drucker 300 umfasst ein Netzteil 310, ein Steuerteil 320, eine Tintenkassette 340 und eine Reserveeinheit 330. Bei dem Tintenstrahldruckkopf 200 handelt es sich um einen verkleinerten Kopf, der unter Anwendung einer Dünnschichttechnik hergestellt wird, eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und mit geringen Kosten herstellbar ist. Daher kann der Drucker 300 zu einem niedrigen Preis hochwertige Bilder drucken.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungen, sondern es können Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der wichtigen und in den Ansprüchen dargelegten Aspekte der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Somit werden gemäß dieser detailliert beschriebenen Erfindung bei einem unter Anwendung einer Dünnschichttechnik hergestellten Tintenstrahldruckkopf eine Elektrodenschicht und piezoelektrische Schicht mittels Ionenfräsen gleichzeitig geätzt. Daher lassen sich einstückige energieerzeugende Elemente herstellen.
Dabei wird verhindert, dass sich an den energieerzeugenden Elementen unnötige Schrägen bilden.
Außerdem lagert sich der durch das Ionenfräsen entstehende gemischte feine Staub auf den winzigen Staubaufnahmeabschnitten ab. Dadurch wird verhindert, dass dieser Staub an den wichtigen energieerzeugenden Elementen haftet.
Der gemischte feine Staub, der an den Staubaufnahmeabschnitten haftet, kann durch die physikalische Kraft einer Flüssigkeit oder eines Gases, die bzw. das unter Druck steht, einfach entfernt werden. Daher kann das Entfernen in kurzer Zeit und unter geringen Kosten ausgeführt werden.

Claims

Tintenstrahldruckkopf, bei dem unter Anwendung einer Dünnschichttechnik auf einer auf einem Substrat gebildeten Elektrodenschicht eine piezoelektrische Schicht und durch gleichzeitiges Ätzen der Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht mittels eines Ionenfräsverfahrens ein energieerzeugendes Element zur Erzeugung von Energie für den Tintenausstoß gebildet wird, wobei der Tintenstrahldruckkopf umfasst – einen winzigen Staubaufnahmeabschnitt, auf dem sich gemischter feiner Staub, der mindestens die durch das Ionenfräsverfahren abgeschliffene Elektrodenschicht und piezoelektrische Schicht umfasst, ablagert, wobei der winzige Staubaufnahmeabschnitt in der Nähe des energieerzeugenden Elements angeordnet ist.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, bei dem der winzige Staubaufnahmeabschnitt ein inselähnliches Element ist, das in einem Abstand von 300 μm oder weniger von einem Ende des energieerzeugenden Elements angeordnet ist.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 2, bei dem das inselähnliche Element bei der Anwendung des Ionenfräsverfahrens auf die Elektrodenschicht und piezoelektrische Schicht gebildet wird.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 2, bei dem das inselähnliche Element ein zusätzlicher Rahmenkörper zur Verstärkung des Tintenstrahldruckkopfs ist.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 4, bei dem der zusätzliche Rahmenkörper bei der Anwendung des Ionenfräsverfahrens auf die Elektrodenschicht und piezoelektrische Schicht gebildet wird.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, bei dem der winzige Staubaufnahmeabschnitt eine ringförmige Rille ist, die um das energieerzeugende Element herum verläuft, so dass darin das energieerzeugende Element gebildet wird.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 6, bei dem die Breite der Rille 300 μm oder weniger beträgt.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 7, bei dem die Rille bei der Anwendung des Ionenfräsverfahrens auf die Elektrodenschicht und piezoelektrische Schicht gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs, mit den Schritten – Bildung einer piezoelektrischen Schicht auf einer auf einem Substrat gebildeten Elektrodenschicht unter Anwendung einer Dünnschichttechnik, – Bildung eines energieerzeugenden Elements zur Erzeugung von Energie für den Tintenausstoß durch gleichzeitiges Ätzen der Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht mittels eines Ionenfräsverfahrens und Bildung eines winzigen Staubaufnahmeabschnitts, auf dem sich gemischter feiner Staub, der mindestens die durch das Ionenfräsverfahren abgeschliffene Elektrodenschicht und piezoelektrische Schicht umfasst, ablagert, wobei der winzige Staubaufnahmeabschnitt in der Nähe des energieerzeugenden Elements angeordnet wird, und – Entfernen des feinen Staubs, der sich auf dem winzigen Staubaufnahmeabschnitt abgelagert hat.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der winzige Staubaufnahmeabschnitt zusammen mit dem energieerzeugenden Element durch ein Photoresistmuster gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der winzige Staubaufnahmeabschnitt ein inselähnliches Element ist, das in einem Abstand von 300 μm oder weniger von einem Ende des energieerzeugenden Elements angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der winzige Staubaufnahmeabschnitt eine ringförmige Rille ist, die zur Bildung des energieerzeugenden Elements vorgesehen ist, wobei die Breite der Rille 300 μm oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem bei dem Schritt des Entfernens des feinen Staubs, der sich auf dem winzigen Staubaufnahmeabschnitt ablagert, das physikalische Entfernen des feinen Staubs durch Verwendung einer Flüssigkeit oder eines Gases, die bzw. das unter Druck steht, umfasst.
Drucker mit – einem Tintenstrahldruckkopf, beidem unter Anwendung einer Dünnschichttechnik auf einer auf einem Substrat gebildeten Elektrodenschicht eine piezoelektrische Schicht und durch gleichzeitiges Ätzen der Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht mittels eines Ionenfräsverfahrens ein energieerzeugendes Element zur Erzeugung von Energie für den Tintenausstoß gebildet wird, wobei der Tintenstrahldruckkopf umfasst – einen winzigen Staubaufnahmeabschnitt, auf dem sich gemischter feiner Staub, der mindestens die durch das Ionenfräsverfahren abgeschliffene Elektrodenschicht und piezoelektrische Schicht umfasst, ablagert, wobei der winzige Staubaufnahmeabschnitt in der Nähe des energieerzeugenden Elements angeordnet ist.